地球と火星におけるダストデビル現象の概要～DUST DEVILS ON EARTH AND MARS のレビュー～北海道大学理学部地球科学科惑星物理学研究室B４加藤美和研究目的 • 私の研究目的 – Balme and Greeley(2006) の論文のレビューを通して, ダストデビル現象の地球と火星の共通点・相違点や基礎的な構造をまとめる. • Balme and Greeley(2006) の研究目的 – 火星で起きるダストデビルが将来の有人火星探査に影響を与えるかもしれないため, 危険度を予測するために事前にダストデビル研究を行う. ダストデビルとは • 地球と火星で共通に起きる大気現象のひとつ. • 塵や砂を含んだ目に見える螺旋状の上昇流. • 主に乾燥した砂漠地域で観測される. • 日射により勢力を増す. アメリカ・モジャヴェ砂漠のエルミラージュ乾湖で観測されたダストデビル. 2005年3月21日の現地時間12:55にJeff T. Aluによって撮影された. (http://www.answers.com/topic/mojave -dustdevil-jpg-1より引用) ダストデビルの形成メカニズム 1. 地表面が日射によって暖められる. 2. そのことにより地表面付近の断熱空気の温度勾配が大きくなる. 3. その結果強い上昇流が生じる. 4. それがダストを巻き上げ, 渦を巻くことでダストデビルとなる. 高度に対する断熱大気の温度の模式図. (a)は日射の強い昼の場合を, (b)は日射のない夜の場合を表している. 日射が強いと地表面付近の気温が上昇し, 強い上昇流が起きやすくなる. ダストデビル内部の風速 • 左図は地球のダストデビル内部の風速の模式図である. • 領域 1 はダストが流入する領域, 領域 2 はダストが回転しながら上昇する領域, 領域 3 はダストが流出する領域である. • 領域 1 – 2 , 2 – 3 の境界での風速はいずれも 10m/s 以下である. • 領域 2 – 3 の境界ほどの高度(オーダー10～100m)では, しばしば下降流が観測される. (Wが負の値をとる.) ダストデビルの観測例地球その場観測 • • • (a) と (b) は地球で観測されたダストデビルの直径ごとの発生率である. 棒グラフの上の数字はダストデビルの数を表している. (a) は定点観測の気象データであり, (b) は500m×300mの領域観測の気象データである. 火星衛星画像 • • (a) は上空から見たダストデビル（MOC NA images M1001267）であり, (b) はダストデビルの軌跡（NASA Planetary Image Atlas image PIA02376）である. 図はいずれもBalme, M., and R. Greeley(2006)より引用した. ダストデビルの観測結果のまとめ発生地域発生時刻発生季節地球乾燥地域 10時～17時夏火星全球規模 12～13時夏直径ｵｰﾀﾞｰ1m ｵｰﾀﾞｰ10m～100m 高さ風速(高度～2m) 温度変位圧力変位ｵｰﾀﾞｰ1m～100m ｵｰﾀﾞｰ100m～1000m ｵｰﾀﾞｰ1m ｵｰﾀﾞｰ10m ｵｰﾀﾞｰ1Ｋ 5～6Ｋｵｰﾀﾞｰ1mbar ｵｰﾀﾞｰ0.001～0.01mbar ダストデビルが大気に及ぼす影響 • 地球・火星両惑星における大気のダスト循環に影響を与えている. – 地球 • 地域的：アメリカ全土や, アフリカ－ヨーロッパ間のダスト循環に大きく関与している. – 火星 • 全球的：ダストストームや全球規模の大気の靄の原因である可能性がある. ダストデビル観測の問題点 • 上昇流がなぜ渦を巻くかわかっていない. • ダストデビルが巻き上げるダストのその場観測の例がない. • ダストデビルと軌跡の明確な相関関係が分かっていない. • 定点観測が主流のため, 小さなダストデビルについて十分な観測を行えていない. • 火星ではその場観測の例が少ないため, 詳細なデータが分かっていない. 将来の展望 • 風洞実験などのシミュレーションを研究する. • ダストデビルに含まれるダスト粒子などの観測を行う. • 軌跡のフィールド研究を行う. • 定点観測だけでなく, 領域観測を行う. • 火星探査機を送り, 全球規模のその場観測を行う. Balme and Greeley (2006)のまとめ • 火星のダストデビルは地球のものより影響力があると分かった. • 火星探査への影響をより詳しく知るためにはシミュレーション研究と観測との整合性を高めたり, ダスト粒子や火星で全球規模の観測をしたりする必要がある. 卒論全体のまとめ • ダストデビルの地球と火星での共通点や相違点やおおまかな構造が理解できた. • しかし, より詳細な部分はシミュレーションや他の論文などで研究する必要がある. • 今後もダストデビルの研究を行っていくことで, 将来地球型惑星を発見した際, 惑星探査の手助けになることが期待される. 参考文献 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Balme, M. R. and R. Greeley(2006); Dust devils on Earth and Mars, Rev. Geophys., 44, RG3003, doi:10.1029/2005RG00018. Balme, M. R., P. L. Whelley, and R. Greeley (2003); Mars: Dust devil track survey in Argyre Planitia and Hellas Basin, J. Geophys. Res., 108(E8)}, 5086, doi:10.1029/2003JE002096. Basu, S. M. I. Richardson, and R. J. Wilson (2004); Simulation of the Martian dust cycle with the GDFL Mars GCM, J. Geophys. Tes., 109, E11006, doi:10.1029/2004JE002243. Biener, K. K., P. E. Geissler, A. S. McEwen, and C. Leovy (2002); Observations of dust devils in MOC wide angle camera images, Lunar Planet. Sci. [CD-ROM], XXIII, Abstract 1048. Crozier, W. D. (1964); The electric field of a New Mexico dust devil, J. Geophys. Res., 105, 9553-9572. Crozier, W. D. (1970); Dust devil properties, J. Geophys. Res., 75, 4583-4585. Durward, J. (1931); Rotation of 'dust devils', Nature, 128(3227), 412-413. Farrell, W. M., G. T. Delory, S. A. Cummer, and J. Marshall (2003); A simple electrodynamic model of a dust devil, Geophys. Res. Lett., 30(20), 2050, doi:10.1029/2003GL017606. Ferri, F., P. H. Smith, M. T. Lemmon, and N. O. Renno (2003); Dust devils as observed by Mars Pathfinder, J. Geophys. Res., 108(E12), 5133, doi:10.1029/2000JE001421. Fitzjarrald, D. E. (1973); Afield investigation of dust devils, J. Appl. Meteorol., 12, 808-813. Freier, G. D. (1960); The electric field of a large dust devils, J. Geophys Tes., 65, 3504. NASA Photojournal(http://photojournal.jpl.nasa.gov/) Newman, C. E., S. R. Lewis, P. L. Read, and F. Forger (2002); Modeling the Martian dust cycle: 1. Representations of dust transport processes, J. Geophys. Res., 107(E12), 5123, doi:10.1029/2002JE001910. Paul Raeburn(1999)；火星解き明かされる赤い惑星の謎、日経ナショナルジオグラフィック社 Ringrose, T. J., M. C. Towner, and J. C. Zarnecki (2003); Convectime Vortices on Mars: A reanalysis on Viking Lander 2 meteorological data, sols 1-60, Icarus, 163, 78-87. Renno, N. O., A. A. Nash, J. Lunine, and J. Murphy (2000); Martian and terrestrial dust devils: Test of a scaling theory using Pathfinder data, J. Geophys. Res., 105, 1859-1865. Renno, N. O., V. J. Abreu, J. Koch, P. H. Smith, O. K. Hartogensis, H. A. R. De Bruin, D. Burose, G. T. Delory, W. M. Farrell, C. J. Watts, J. Garatuza, M. Parker, and A. Carswell (2004); MATADOR 2002: A pilot field experiment on convective plumes and dust devils, J. Geophys. Res., 109, E07001, doi:10.1029/2003JE002219. Ryan, J. A., and R. D. Lucich (1983); Possible dust devils, vortices on Mars, J. Geophys. Res., 88, 11,005-11,011. Schofield, J. T., J. R. Barnes, D. Crisp, R. M. Haberle, S. Larson, J. A. Magalhaes, J.R. Murphy, A. Seiff, and G. Wilson(1997); The Mars Pathfinder atmaspheric structure investigation meteorology experiment, Science, 278, 1752-1758 Sinclair, P. C.(1969); General characteristics of dust devils, J. Appl. Meteorol., 8, 32-45 The Mars Orbiter Laser Altimeter Image Gallery; JPL/NASA (http://mola.gsfc.nasa.gov/images.html) Tratt, D. M., M. H. Hecht, D. C. Catling, E. C. Samulon, and P. H. Smith (2003); In situ measurements of dust devil, Lunar Planet. Sci. [CD-ROM], XXXV} Abstract 1259. 伊藤宏記(2008); 地球と火星のダストデビル, 神戸大学理学部地球惑星科学科卒業論文奥村晴彦(2008); LATEX 2ε美文書作成入門, 株式会社技術評論所気象学会(2004); 気象科学事典, 東京書籍株式会社地学団体研究会, 新版地学事典編集委員会(1999); 新版地学事典, 株式会社平凡社, ISBN4-582-11506-3Yaping Shao(2001), Physics and Modelling of Wind Erosion, Kluwer Academic Pub, ISBN 0-7923-6657-3 東京工科大学・札幌市立大学デザイン学部・自然科学研究機構国立天文台・宇宙航空研究開発機構; 月探査情報ステーション(http://moon.jaxa.jp/ja/index\_ fl.shtml) 日本惑星協会(http://www.planetary.or.jp/top.html)(1999) 財団法人横浜市青少年育成協会(2005); はまぎんこども宇宙科学館ホームページ(http://www.ysc.go.jp/ysc/ysc.html) 早川正士/伊田裕一/武藤史弥; 地震に伴う電磁気現象と地震予知の研究, 第7章 ULF帯電磁放射, VHF帯見通し外伝搬, VLF/LF帯送信局電波を使った研究など(http://www.rfworld.jp/bn/RFW04/samples/p064-065.pdf)